La bacteriorrodopsina (Bop) es una proteína utilizada por las arqueas , sobre todo por las haloarchaea , una clase de Euryarchaeota . [1] Actúa como una bomba de protones ; es decir, captura la energía de la luz y la utiliza para mover protones a través de la membrana fuera de la célula. [2] El gradiente de protones resultante se convierte posteriormente en energía química. [3]
Función
La bacteriorodopsina es un transportador de iones H + impulsado por la luz que se encuentra en algunas arqueas halogénicas, en particular en Halobacterium salinarum (antes conocida como H. halobium ). La fuerza protónica generada por la proteína es utilizada por la ATP sintasa para generar trifosfato de adenosina (ATP) . Al expresar la bacteriorodopsina, las células de las arqueas pueden sintetizar ATP en ausencia de una fuente de carbono. [4] [5]
Estructura
La bacteriorrodopsina es una proteína de membrana integral de 27 kDa que se encuentra generalmente en parches cristalinos bidimensionales conocidos como "membrana púrpura", que puede ocupar casi el 50% de la superficie de la célula arqueal. El elemento repetitivo de la red hexagonal está compuesto por tres cadenas proteicas idénticas, cada una rotada 120 grados con respecto a las demás. [6] Cada monómero tiene siete hélices alfa transmembrana y una lámina beta de dos hebras orientada hacia el exterior de la célula . [7] [8]
Eliminación del residuo Asp262 en el extremo C [12]
Propiedades espectrales
La molécula de bacteriorrodopsina es de color violeta y es más eficiente en la absorción de luz verde (en el rango de longitud de onda de 500 a 650 nm ). En la membrana nativa, la proteína tiene una absorbancia máxima a 553 nm, sin embargo, la adición de detergente altera la forma trimérica, lo que provoca una pérdida del acoplamiento de excitones entre los cromóforos y, en consecuencia, la forma monomérica tiene un máximo de absorción de 568 nm. [13] [14]
La bacteriorrodopsina tiene un amplio espectro de excitación. Para una longitud de onda de detección entre 700 y 800 nm, tiene una emisión detectada apreciable para longitudes de onda de excitación entre 470 nm y 650 nm (con un pico a 570 nm). [15]
Cuando se bombea a 633 nm, el espectro de emisión tiene una intensidad apreciable entre 650 nm y 850 nm. [16]
Mecanismo
Descripción general del fotociclo
La bacteriorrodopsina es una bomba de protones impulsada por la luz. Es la molécula de la retina la que cambia su estado de isomerización de todo- trans a 13- cis cuando absorbe un fotón . La proteína circundante responde al cambio en la forma del cromóforo, experimentando una secuencia ordenada de cambios conformacionales (conocidos colectivamente como el fotociclo). [17] Los cambios conformacionales alteran los valores de p K a de los aminoácidos conservados en el núcleo de la proteína, incluidos Asp85, Asp96 y el átomo N de base de Schiff (Lys216). Estos cambios secuenciales en la constante de disociación ácida dan como resultado la transferencia de un protón del lado intracelular al lado extracelular de la membrana por cada fotón absorbido por el cromóforo.
El fotociclo de la bacteriorrodopsina consta de nueve etapas distintas, comenzando por el estado fundamental o de reposo, que se denomina "bR". Los intermedios se identifican con una sola letra y se pueden distinguir por sus espectros de absorción . [18] Las nueve etapas son:
bR + fotón → K ⇌ L ⇌ M 1 ⇌ M 2 ⇌ M 2 ' ⇌ N ⇌ N' ⇌ O ⇌ bR [18]
Estado fundamental + fotón → Estado K → Estado L
La bacteriorrodopsina en estado fundamental absorbe un fotón y el retinal cambia su isomerización de 15- anti todo -trans a 15- anti 13 -cis tenso en estado K. La reacción de isomerización es rápida y ocurre en menos de 1 ps. El retinal adopta una conformación menos tensa para formar el intermediario L.
Estado L → M1estado
Asp85 acepta un protón del átomo N de base de Schiff. En el intermedio M 1 , ni la base de Schiff ni Asp85 están cargados.
METRO1estado → M2estado
La base de Schiff gira desde el lado extracelular de la proteína hacia el lado citoplasmático, en preparación para aceptar un nuevo protón.
METRO2estado → M2' estado
Se libera un protón de Glu204 y Glu194 al medio extracelular.
METRO2' estado → N estado
La base de Schiff de la retina acepta un protón de Asp96. En el estado N, tanto Asp96 como la base de Schiff están cargadas.
Estado N → Estado N'
Asp96 acepta un protón del lado citoplasmático de la membrana y queda sin carga.
Estado N' → Estado O
La retina se reisomeriza al estado todo- trans .
Estado O → estado fundamental
Asp85 transfiere un protón a Glu194 y Glu204 [19] [20] en la cara extracelular de la proteína.
Todos los demás sistemas fototróficos de bacterias, algas y plantas utilizan clorofilas o bacterioclorofilas en lugar de bacteriorodopsina. Estas también producen un gradiente de protones, pero de una manera bastante diferente y más indirecta que implica una cadena de transferencia de electrones que consta de varias otras proteínas. Además, las clorofilas reciben ayuda para capturar la energía de la luz mediante otros pigmentos conocidos como "antenas"; estos no están presentes en los sistemas basados en bacteriorodopsina. Es posible que la fototrofia haya evolucionado de forma independiente al menos dos veces, una en bacterias y otra en arqueas.
Galería
Monómero único de bacteriorrodopsina con molécula de retina entre 7 hélices alfa verticales ( PDB ID: 1X0S [26] [27] [28] ). Una hélice más pequeña es de color azul claro, la hoja beta es de color amarillo.
Trímero de bacteriorrodopsina con una molécula de retina en cada subunidad visto desde el lado extracelular EC ( PDB ID: 1X0S [26] [27] [28] )
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^ ab Imagen creada con RasTop (software de visualización molecular).
Enlaces externos
Bacteriorodopsina: molécula del mes, por David Goodsell, RCSB Protein Data Bank
Fabricación de retina artificial a partir de proteínas: caracterización de la función y estabilidad de la bacteriorrodopsina tras la exposición a un entorno de microgravedad, por Nicole Wagner y Jordan Greco